Quantification du devenir des nitrates dans les hydrogéosystèmes hétérogènes fissurés : périmètre expérimental de Kerveldreac'h (Finistère - 29)

Quantification of the nitrate behaviour in fissured heterogeneous hydrogeosystems : experimental perimeter of Kerveldreac'h (Finistère 29)

• Auteur / Autrice : Michaël Goujon
• Direction : Moumtaz Razack, Jean-Pierre Faillat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéologie
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Poitiers
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux souterraines -- Écoulement

Modèles mathématiques

Dénitrification

Eau -- Teneur en nitrates

Résumé

Les mesures de remédiation des concentrations excessives en nitrate dans les cours d'eau ont des effets contrastés en ce qui concerne les temps de réponse et les taux de décroissance, généralement inférieurs aux espérances. Ceci peut cependant s'expliquer par le rôle que jouent les nappes d'eau souterraine dans le devenir du nitrate à l'échelle du bassin versant. Les mécanismes qui interviennent sont contrôlés par les caractéristiques hydrodynamiques des aquifères de fissures et d'altérites et par les processus hydrochimiques qui ont lieu dans les eaux souterraines. La généralisation des processus à l'échelle de la nappe passe par une bonne compréhension des phénomènes à l'échelle d'un forage. Certaines interprétations peuvent alors être biaisées par le fonctionnement particulier de certains ouvrages. Ce travail, réalisé sur le Périmètre Expérimental de Kerveldreac'h (PEK) dans le bassin versant du Kerharo (Finistère – (F29)), a permis de confirmer la zonation hydrochimique verticale de la nappe de fissures. Deux études hydrodynamiques et hydrochimiques ont été menées : la première en trou nu (Somlette, 1998), et la seconde en mettant en place un système d'obturateur permettant le rétablissement de la continuité de l'aquifère. Les résultats montrent que malgré les multiples inversions de charge au sein d'un forage au cours d'un cycle hydrologique, la stratification hydrochimique de la nappe de socle est permanente. Les connaissances accumulées sur le PEK, ont permis d'établir un modèle conceptuel aussi précis et réaliste que possible, préalable indispensable à la modélisation numérique. L'approche de modélisation à l'aide du logiciel MODFLOW a notamment permis d'évaluer l'effet produit par la zonation hydrochimique et le fonctionnement des nappes sur les quantités de nitrates qui sont restituées aux cours d'eau, ainsi que sur les temps de réponse du système. Cette approche a également permis d'établir des bilans en terme de flux d'eau et en terme de masse de nitrates transitant au sein de l'hydrogéosystème. Les résultats montrent que la dénitrification naturelle au niveau des nappes n'est pas un phénomène négligeable. En effet, les bilans de masse résultant de la modélisation numérique (modèle vertical 2D sous forme de section) montrent qu'en présence d'un Front d'Oxydo-Réduction, 80 à 90 % des nitrates entrants dans l'aquifère sont détruits au cours du transfert et n'atteignent donc pas le ruisseau.

Remediation measures of excessive nitrate concentrations in streamwaters yield contrasted effects regarding response times and degradation rates, generally lower than expected. This can be explain by the role that groundwaters play in the nitrate behaviour at catchment scale. Mechanisms which take place there are controlled by the hydrodynamic properties of fissured and weathered aquifers, and by the hydrochemical processes in groundwaters. Generalization of processes at groundwater scale depends on the understanding of processes at the well scale. Some misinterpretations can then arise due to the proper functioning of the wells. This work has been carried out on the Experimental Perimeter of Kerveldreac'h (EPK) within the Kerharo watershed. It made it possible to confirm the vertical hydrochemical zonation of the fissured aquifer. Two hydrodynamic and hydrochemical studies have been performed. The first study used a well without any equipment (Somlette, 1998). The second study used a well equipped with a packer, which let the aquifer recover its continuity. Despite the multiple inversions of piezometric levels observed in the well, the results show that, during a hydrological cycle, the groundwater hydrochemical stratification is steady. Knowledges, gathered on the EPK, have led to the elaboration of a conceptual model, as accurate and realistic as possible, prerequisite to the numerical modeling. The modeling task performed with MODFLOW allowed to estimate the effect of the hydrochemical zonation, and of the aquifer functioning on the nitrates amounts which are released into the stream, and on the response times of the whole system. This approach allowed also to establish water budgets and nitrate mass balances through the hydrogeosystem. Results show that natural denitrification in groundwater is a significant phenomenon. Actually, the mass balances resulting from the numerical modeling (2D vertical cross section model ) show that, when an oxydo-reduction barrier is present, 80 to 90 % of nitrates entering the aquifer, are decayed during their transport and so don't reach the stream.